Ayers Rock, eller Uluru som den kallas i dag, har en komplex geologisk historia. Tidigare betraktades Uluru som världens största fristående sten, men det har visat sig att den faktiskt är förankrad sex kilometer nere under markytan.
För cirka 550 miljoner år sedan låg en bergskedja av granit, Petermann Ranges, väster om det nuvarande Uluru. Petermann Ranges eroderades långsamt, och vatten förde med sig stora mängder sediment, framför allt sand, österut. Sedimenten blev flera kilometer tjocka. För omkring 500 miljoner år sedan täcktes området av hav. Med tiden pressade havssediment samman sanden från
Petermann Ranges till en typ av sandsten, som kallas arkos. Havet försvann dock efterhand, och samtidigt veckade och roterade starkare geologiska krafter sandstenen, så att det geologiska lager som i dag utgör Uluru hamnade på högkant. Med tiden har väder och vind avlägsnat lager på lager av landskapet. Eftersom den sandsten som senare blev till Uluru var massiv och sprickfri, eroderades den inte lika snabbt och sticker därför upp.
I dag reser sig Uluru 348 meter över sanden i Simpsonöknen. Sedda ovanifrån är de ursprungligen 550 miljoner år gamla geologiska lagren tydliga. Lagren framhävs ytterligare av att regnet rinner längs de djupa fårorna och holkar ur dem.